本科毕业论文__基于单片机的电子式电能表设计与研究(编辑修改稿)

本科毕业论文__基于单片机的电子式电能表设计与研究(编辑修改稿)内容摘要：

管理功能的核心，可以实现大量的事件记录、监控功能，如：失压、失流、过压、过流、编程、开盖、电压合格率等；这些是感应式电能表所缺少的。 便于安装使用 感应 式电能表的安装有严格的要求；而电子式电能表采用静止式的计量方式，因此不存在上述问题，加上体积小、重量轻，便于使用。 表 11 列出了两种电能表的性能比较。 表 11 感应式电能表与电子式电能表的性能比较 类别 感应式电能表 电子式电能表 准确度（级别） ～ ～ 频率范围（ Hz） 45～ 55 40～ 2020 启动电流 bI bI 外磁场影 响 大 小 国 内 外 电子式电能表的发展概 况 国外 电子式电能表的发展概况 电力工业发展初期曾用电解化学原理电能表计量收费 ， 1890 年 ， 发明了感应式电磁原理电能表沿用至今已有 100 多年。 随着电费制度的发展 ， 提出分时计量、需量计量预付费等要求 ， 特别是 19 世纪 70 年代以来各国酝酿发展 xxx 大学学士学位论文 8 电力市场又提出实时电价、负荷曲线计量、双工通讯、远方采集数据、记录负荷曲线和电能质量、控制负荷以及费率编程等要求 ， 原来的感应式电能表虽经多方面改进扩充 ， 已很难满足电力市场日益发展的功能和要求。 20 世纪中叶 ， 开始随着微电 子和信息产业的发展 ， 新技术有力的支持电能表的革新 ， 先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术要求 ，继而 70 年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。 国外家用计费用电子式电能表出现于 1983 年 ， 到 1988 年已实用化。 如英国在 Felixstowe 的一个电能表厂 1985~1988 年间已累计生产单相电子式电能表 183 万只 ， 供英国的 15 个配电公司 ， 占有市场份额 40%， 且年返修率仅%。 世纪之交 ， 电力市场改革浪潮遍及全球 ， 各国电力公司都认识到市场竞争的核心是表计。 特别是用户选择供应商 和实时电价 ， 要求表计有灵活、可靠的双向通讯功能和不同制造商生产表计在电力市场技术支持系统中的兼容性 ，因而提出了标准化和兼容性问题。 在欧洲著名表厂创导下成立了 DLMS(计量部件描述语言消息规范 )用户协会 ， DLMS 已构成 IEC 有关表计规约标准的基础。 北美也以 ANSI 为基础实施标准化。 因为现有系统中已运行着众多制造厂不同年代制造的表计 ， 故美国 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造厂表计规约的 MV90 表计数据采集编译系统 ， 广泛应用于北美和世界各地电力市场 ， 起了较大作用。 国际上电子式电能表经过 50 多 年发展 ， 开始都是基于模拟量乘法器原理的 ， 在历史上曾有过多种原理线路 ， 后来演变为时分割 (Time division)和霍尔效应 (Hall effect)两种乘法器。 美国 Govzelnik 对这两种乘法器的特点曾作比较。 到目前标准电子式电能表和安装式计费电子式电能表中较多用时分割乘法器于 级表计 ， 而霍尔乘法器只用于 级及以下安装式计费电能表。 由于数字技术的迅速发展 ， 目前已有趋势全部更新为 A/D 转换 ， 计算机处理方法 ， 这样也更有利于实施负荷控制、记录电能质量、负荷曲线、发展表计的通信功能和确保高准确度。 国 内电子式电能表的发展概况 我国 20 世纪 70 年代开始用电子式标准电能表 ， 先是进口后来到 80~90年代国内已能商业化生产 %级电子式标准电能表 ， 也已研制出更高准确度等级的标准电能表。 计费用电子式电能表在我国应用和制造发展都很快 ， 从 20 世纪 90 年代开始到现在已大量使用只花了十多年就为广大电力公用企业接受。 随着电力市场化改革的不断深入 ， 我国网、省电网各级关口表在各级电能计量数据采集系统建设 ， 大部分已更新为电子式电能表。 且均为进口表计 ，总数近万只 ， 运行情况较好。 MV90 多开发商表计数据采集、编 译系统也已在运行中表现其良好兼容性。 各地在普及实施分时电价的过程中 ， 大用户 (大于 100kW)电能表大部分 xxx 大学学士学位论文 9 更新机械电子式电能表 ， 也有不少省局直接采用进口的 级电子式电能表 ，总计已达数万只。 国产 级电子式电能表也开始在部分地区实用。 1993 年由国内厂商试制成功单相电子式电能表后 ， 1994 年起在华东试用 2020 只 ， 第一年故障率小于 1%。 这批表至今已连续运行 6 年 以上 ， 基层用电管理部门欢迎 ， 因而装用量增长很快。 单相电子式电能表的专用芯片据报道1998 年全国产量 500 万片 ， 而 2020 年新一代芯片 ADE7755 在中国销量超过1000 万片。 由此可以推论 1998~2020 年每年单相电子表产量均有数百万台。 仅江苏、浙江两省不完全统计 ， 单相电子式电能表装用量均大于 100 万台。 以此可以推论全国装用量应不少于数百万台。 单相电子式预付费用卡电能表也有相当大装用量。 论文研究内容 本课题主要完成三 个方面的内容 ： 设计一种全数字低功耗多功能复费率的电度表，计量和控制精度高，功耗低，稳定性好，工作可靠，能够实现电量分时计量计费，具有通讯接口 实现远程抄表等功能，当掉电时能够将重要信息保存起来。 通过硬件的设计使电能表完成比较准确的电能计量，使电表在环境恶劣的情况下具有一定抗干扰能力。 通过软件设计能够使电能表运行稳定，可靠，同时具有一定的智能纠错功能。 xxx 大学学士学位论文 10 第 2章 电子式电能表电能计量基础 电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式和电子式两种。 以下对电子式电能表工作原理进行介绍，并介绍基于Δ ∑ A /D 转换器的数字乘法器的工作原理以及基本电能量的计量原理和电能参数的计算方法。 电子式电能表的电能计量原理与方法 电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作 用是将输入电压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数 8。 它是电子式电能表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。 电子式电能表的电能测量单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。 乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。 由此大体可分为以模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。 模拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器则以微处理器为核心的高精度 A/D 型为代表。 初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电子式电能表则以数字乘法器为主。 本文主要介 绍数字乘法器原理，在此基础上本节还将对基本电能量的计量原理进行阐述。 数字乘法器 数字乘法器型电子式电能表是以微处理器为核心，将经过采样网络变换的被测电压和电流信号由 A/D 转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能。 利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图 21 为分时采样与采样点功率。 从图 21 可以看到各采样点功率 ()kpt 为 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t (2－ 1) 一个周期 T 内平均功率 p 为 p = 11 1[ ( ) ( ) .. . ( ) ( ) .. . ( ) ( ) ]A A A k A k A n A nu t i t u t i t u t i t n = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn (2－ 2) 即各采样点功率 ()kpt 为 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t (2－ 3) 则一周期内平均功率 p 为 p = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn (2－ 4) 令 1kkt t T   ，则一个周期内的电能 W 为 xxx 大学学士学位论文 11 11[ ( ) ( )]n kkkW u t i t tn (2－ 5) 若 0t ，则有 0 ( ) ( ) c osT tW u t i t d T U I   (2－ 6) 式 (2－ 5)说明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电能。 式 (2－ 2)是一个数值计算公式，由微处理器可以轻松完成。 这种方法通过模数转换 器 (也称 A/D 转换器 )把交流电压、电流模拟量转换为数字量。 如果 100us采样一次，而工频 50Hz 的交流电压、电流的周期就是 20ms，则一个周期内可采样 200 次。 研究指出，利用高精度 A/D 转换器，增加采样次数就可以将电能计算得很准确。 这种测量方法的误差来源主要有采样频率、 A/D 转换器的转换精度，取样电路及其后的放大线路元器件的分散性造成的幅值和相位误差。 误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。 图 21 分时采样与采样点功率 数字型乘法器的实现电路可由单 片机、 A/D 转换器、采样保持器、多路模拟开关和显示器等部分组成。 这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，因为数据采集、计算、积分等都是通过数字电路来实现的。 由这样方法设计的电能表的可靠性较差，特别对于大批量生产工艺来说更不合适。 由于计算机技术的发展和 ASIC 技术的应用，使开放专用芯片的工作相对容易。 这种专用电能计量模块不仅集成了乘法器、 P/F 变换电路，而且还包含有其他电路，如相位调整电路、电源检测电路、接口电路等，采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表。 数字型乘 法器以 xxx 大学学士学位论文 12 A/D 变换原理也分为两类；用逐次比较型 A/D 进行采样的数字乘法器和用 Δ Σ原理进行 A/D 转换的数字乘法器。 因为数字乘法器型的电能测量专用电路利用位数较多的 A/D 转换电路或自动量程转换电路，在原理上可达到很高的测量准确度，且它在一定周期内对电压、电流信号进行采样处理的方法，可保证了测量准确度可不受高次谐波的影响；并且其精度、线性度、稳定性和抗干扰能力等方面都优于模拟乘法器电路，具有更好的发展前景。 有功电能的计量 作为电能表，最重要的功能就是电能计量。 电能计量包括有功电能和无功电能的计量，其中有功电能计量可简单地描述如下： 设在 t 时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： ( ) s i n 2 s i nmu t u w t U w t (2－ 7) ( ) s i n ( ) 2 s i n ( )mi t i w t I w t    (2－ 8) 其中 ()ut t 时刻电压瞬时值； ()it t 时刻电流瞬时值； ()um 电压峰值；()Im 电流峰值； U 电压有效值； I 电流有效值；  电压与电流相位差；w 角频率。 则在一个周期内平均有功功率 p 为 0011( ) ( ) sin sin ( )TTt m m tp u t i t d U wtI wt dTT      01 [ c os c os( 2 ) ] c osT tU I wt d U IT        (2－ 9) 一个周期内的电能 W 为 0 ( ) ( ) c osT tW u t i t d T U I   (2－ 10) 各种乘法结构的电能计量单元都是以式 (2－ 10)为理论基础形成的。 当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。 若以△ t 的时间间隔对电压和电流进行采样，用 N 表示每周期采样的次数 (即 T=N*△ t)，则有功电量公式可以表示为： 1 ( ) ( )TkW u k i k (2－ 11) 式中 ()uk 、 ()ik 分别代表电压、电流的第 k 次采样值， N 为采样总点数，计算机软件就可按公式 2－ 11 计算出被测的有功能量。 △ t 取得越小，则计算结果越准 确。 无功电能的计量。